淺地層剖面技術(shù)在黃河下游根石探測中的應(yīng)用.docx

1、重磁電技術(shù)淺地層剖面技術(shù)在黃河下游根石探測中的應(yīng)用馬愛玉"謝向丈郭玉松張曉予(黃河勘測烷劃設(shè)計有限公司工程物探研究院，河南鄭卅450003)摘要馬愛玉.謝向文，郭玉松.張曉予.淺地層剖面技術(shù)在黃河下游根石探測中的應(yīng)用.物探裝備.2009,19(6)：391394根據(jù)黃河根石探測的環(huán)境及特點，采用引進的淺地層削面儀，經(jīng)大任的對比試驗及生產(chǎn)試騷，開發(fā)了一整套根石探測的技術(shù).本文通過對儀器與人工錢探的應(yīng)用成果進行對比分析，說明淺地層剖面技術(shù)很好地解決了黃河根石探測的技術(shù)難題，并巳投入生產(chǎn)應(yīng)用。關(guān)鍵詞河道整治工程根石投測聲納淺地層剖面儀ABSTRACTMaAiyu,XieXiangwen.G

2、uoYusongandZhangXiaoyu.Theapplicationofthesub-bottomprofiletechnologyonfootstonedetectioninthelowerYellowRiver.EGP,2009,19(6):391394AccordingtotheenvironmentandthecharacteristicsofthefootstoncdetectionintheYellowRiver,asetoftechnologyonfootstonedetectionhasbeendevelopedbyalargenumbero(comparativetri

3、alsandproductionwiththeadoptingofsub-bottomprofiler.ByComparingthesub-bottomprofilerwiththeprobedetectionresults,theanaysisshowedthatthesub-bottomprofiletechnologycaneffectivelysolvethetechnicalproblemsoffootstoncdetectionintheYellowRiver.Nowthistechnologyhavebeenputintoproduction.Keywordschannelreg

4、ulationengineering,footstonedetection,sonar,sub-bottomprofiler-馬愛玉，女.1967年出生，高級工程師，主要從事工程物探工作.0引言長期以來，根石探測技術(shù)一直是困擾黃河下游防洪安全的重大難題之-，解決根石探測技術(shù)問題,及時掌握根石的分布情況，對減少河道整治工程出險、保證防洪安全和沿黃農(nóng)業(yè)豐收至關(guān)重要。黃河防洪工程的重要組成部分，主要包括控導工程和險工兩部分?？貙Чこ毯碗U工由丁壩、垛（短丁壩）、護岸三種建筑物組成。土壩體、護坡的穩(wěn)定依賴于護根（根石）的穩(wěn)定，根石是壩、垛、護岸最重要的組成部分。因此,根石探測是防汛搶險、確保防洪安全的最

5、重要工作之一。凡十年來，水下根石狀況靠人工探摸，其探摸范圍小、速度慢、難度大，探摸人員水上作業(yè)時還有一定的危險性，難以滿足防洪保安全的要求。近年來，黃河水利委員會根石探測項目組依托水利部“948”項目“壩岸工程水下基礎(chǔ)探測技術(shù)研究”，引進了淺地層剖面儀，經(jīng)過對探測設(shè)備軟、硬件的升級改造及現(xiàn)場反復試驗研究.解決了水下根石探測問題，將硬件、數(shù)據(jù)處理軟件、方法技術(shù)等形成了一套根石探測的淺地層剖面技術(shù)，該項目技術(shù)成果已于2009年1月通過水利部蛆織的科技鑒定，經(jīng)鑒定，研究成果總體達到國際先進水平，其中在小尺度精細化根石探測等關(guān)鍵技術(shù)的綜合集成方面達到國際領(lǐng)先水平。該成果的取得，為黃河下游防洪工程的建設(shè)

6、與管理，提供重要的技術(shù)支撐。1淺地層剖面儀及探測技術(shù)1.1淺地層剖面儀最初引進的是X-Star淺地層剖面儀，升級后為32OOXS淺地層剖面儀，是美國EdgeTech公司生產(chǎn)的一種高分辨率、多用途寬帶調(diào)頻（FM）淺地層剖面儀系統(tǒng)。由船上單元、水下電纜和拖魚組成，拖魚與一條電纜連接懸在水中，它裝有寬頻帶發(fā)射陣列和接收陣列。1.2探測原理探測采用聲納原理，發(fā)射陣列發(fā)射一定頻段范圍內(nèi)的調(diào)頻脈沖，脈沖信號遇到不同波阻抗界面產(chǎn)生反射脈沖，反射脈沖信號被拖魚內(nèi)的接收陣列接收并放大，由電纜送至船上單元的數(shù)控放大器放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器采樣轉(zhuǎn)換為反射波的數(shù)字信號，然后送到DSP板做相關(guān)處理，最后把信號送到工作站

7、完成顯示和存儲處理。經(jīng)時深轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理，即可得到水面以下地層的分布情況（如圖1所示）。圖1淺地層剖面儀的工作原理圖圖1淺地層剖面儀的工作原理圖甲板單元（主機）水下單元（拖魚）1.3黃河根石探測的技術(shù)難點與解決辦法根石探測的技術(shù)難點在于根石分布范圍小，坡度變化大,水深淺，屬于小尺度水域的精細化探測問題，并且需要穿透渾水和淤泥層。淺地層剖面儀主要用于海洋調(diào)查勘探，在海洋調(diào)查勘探工作中，其工作水域一般是以千米計，探測范圍大，分辨率要求不高。利用淺地層剖面儀探測黃河防洪中的根石，必須保證足夠的數(shù)據(jù)密度和定位精度才能獲得良好的探測效果。經(jīng)大量的對比試驗與生產(chǎn)試驗，我們確立了利用淺地層剖面儀，通過組合G

8、PS定位儀、船載探測系統(tǒng)和綜合集成的數(shù)據(jù)處理軟件，形成了快速高效的探測技術(shù)手段，這里簡稱為淺地層剖面技術(shù)，從而實現(xiàn)了小尺度水域的精細化探測，取得了良好的探測效果。1.3.1探測技術(shù)（1）測線布置應(yīng)垂直于水下地形的走向，并宜采用橫河剖面布置，或按任務(wù)提出單位設(shè)計的斷面和要求布置。（2）GPS定位測量，一般采用實時動態(tài)差分測鼠。動態(tài)觀測站固定在淺層剖面儀拖魚發(fā)射接收陣列的中心距處。（3）淺地層剖面儀與GPS設(shè)置成一致的采樣頻率，保證探測數(shù)據(jù)與空間坐標相對應(yīng)。（4）淺層剖面儀拖魚要固定在船頭或前側(cè)，減少動力和螺旋槳工作時產(chǎn)生的干擾。1.3.2數(shù)據(jù)處理技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程見圖2所示。圖2數(shù)據(jù)處理流程野外原

9、始數(shù)據(jù)文件一般存放在GPS手簿和淺地層剖面儀工作站內(nèi)，根據(jù)所提供的已知坐標高程點進行計算繪制航跡圖，并在航跡圖中繪出測線，再根據(jù)測線起始位置截取航跡中的測線數(shù)據(jù)，顯示測線段的探測剖面，在剖面圖中追蹤探測目標界面，將追蹤好的目標數(shù)據(jù)形成成圖用的目標數(shù)據(jù)文件，最后繪制地質(zhì)解釋成果圖件等。2黃河根石探測中的應(yīng)用2.1壩垛工程概況黃河下游河道整治工程的壩、垛、護岸的結(jié)構(gòu)形式多為柳石結(jié)構(gòu)，通常采用土壩體外加裹護防沖材料的形式。一般分為土壩體、護坡（坦石）和護根（根石）三部分（如圖3）。土壩體一般用沙壤土填筑，有條件的再用粘性土修保護層；護坡用塊石拋筑，由于塊石鋪放方式不同，可分為散石、扣石和砌石三種，護

10、根一般用散拋塊石、柳石枕和鉛絲石籠拋筑。根石的完整是丁壩穩(wěn)定最重要的條件，進行根石探測可以及時發(fā)現(xiàn)根石變動的部位、數(shù)量，采取預(yù)防或及時搶護的辦法，防止工程出現(xiàn)破壞，還可節(jié)省大量的搶險費用，對防洪安全具有重要意義。2.2現(xiàn)場工作方法現(xiàn)場進行根石探測時，壩垛上用GPS定位儀測圖3壩體結(jié)構(gòu)示意圖量斷面位置后，在岸上固定好斷面，在壩頂斷面樁處豎立兩根測量花桿控制斷面測量方向。探測設(shè)備在水中沿著斷面方向進行探測，處理探測數(shù)據(jù)后繪制根石斷面圖或在壩垛附近水域隨測量定位給出壩垛根石等深線圖，按需要截取不同的根石斷面圖。由于河水、沉積泥沙、根石界面之間存在著很大的波阻抗差異，當聲波入射到水與沉積泥沙界面及沉積

11、泥沙及根石界面時，會發(fā)生反射，儀器記錄來自不同波阻抗界面反射信號，同時將GPS定位系統(tǒng)測量的三維坐標記錄到采集的信號中，對信號進行識別、處理得到水下根石的分布信息。根石探測現(xiàn)場工作方法如圖4所示。在河水高流速的情況下，如果行船航跡不能沿設(shè)定斷面探測，也可采用繞壩探測模式。2.3應(yīng)用與分析已在鄭州惠金局、新鄉(xiāng)長垣局、焦作孟州局、原陽局、封丘局、山東省荷澤局等所管轄的控導和險工工程中進行對比試驗、生產(chǎn)試驗和生產(chǎn)應(yīng)用。共計完成根石探測工作355道壩，855個剖面。因篇幅有限，為說明其應(yīng)用效果，這里重點談?wù)剝x器探測與人工探摸的應(yīng)用對比。為保證探測結(jié)果的可靠性和代表性，選擇了動水、靜水、有石無沙、有石有

12、沙和無石等具有代表性的斷面進行對比探測。采用兩種對比方法：定點探測對比和斷面探測對比。對比的內(nèi)容包括：探測能力、探測精度、水上定位精度、探測效率等。2.3.1定點探測成果對比定點對比探測試驗，現(xiàn)場工作時，探測船固定，首先用儀器進行定點探測，現(xiàn)場解釋探測成果，然后在相同位置進行人工錐探。工作在大留寺控導工程及花園口險工進行,從對比結(jié)果可以看出，兩者基本一致。淤泥厚度最大誤差不大于0.2m.根石深度最大誤差為不大于0.3mo而黃河下游河道整治工程水下根石探測最大誤差要求不大于0.5m,滿足了根石探測工作需求。部分對比結(jié)果如表1所列。表1儀器探測與人工錐探成果對比衰(m)壩號點號儀器探測根石深度人工

13、錐探根石深度差值儀器探測泥層深度人工銷探泥層深度差值留控工44大寺導程壩11.81.850.0522.62.70.132.92.850.0543.43.250.1555.75.60.1花園口工程10813.23.10.124.44.50.137.27.00.249.08.80.21.11.30.2511.711.50.21.21.10.1花園口工程11011.71.70.025.96.00.13.33.20.136.56.50.03.33.10.246.87.10.33.43.30.157.77.50.22.3.2斷而探測成果對比斷面探測對比時，人工錐探和儀器探測分別沿同一斷面進行探測。探測地

14、點選擇在水流較緩的水域。探測時，儀器在探測載體運動狀態(tài)下沿著測量定位線連續(xù)移動探測；人工錐探仍采用靠船邊沿著同一條測信定位線每間隔兩米進行探測。在長垣周營控導工程28壩、29壩沿固定斷面進行了儀器探測，并與同測線下的人工錐探作了對比。人工與儀器探測剖面的對比圖(見圖5),探測資料對比顯示，探測深度、根石比降基本一致。由于人工探測數(shù)據(jù)量少，其探測斷面線呈直線狀j而儀器探測數(shù)據(jù)量大，清晰完整地反映了水下根石的真實狀態(tài)。兩圖探測斷面形態(tài)吻合良好，深度最大誤差小于0.3m。2.3.3誤差分析人工錐探受人力、水流、淤泥層等因素影響，最圖529壩迎水面根石探測剖面對比圖大探測深度一般不超過12rn(4根探

15、桿相接，每根3m)。人T.錐探的劣勢：定位通常采用皮尺測量，這給平距和高程帶來不可避免的誤差；船偏離測線因素。人工錐探是將探測船固定在水中，沿測線方向2m一個點，進行錐探，探測船在流水中很難固定，探測點也就很難完全分布在測線上；水流影響。在黃河中，河水流速很快，其誤差會超過半米，另外，在河水流速較快的地方，錐桿在水流作用下，易彎曲，測點易偏離測線等；淤泥層較厚時，人工錐探很難穿透。人工探測與儀器探測僅在靜水、緩流環(huán)境下的定點探測時，具有較強的可比性。而斷面探測對比時，儀器探測采用高精度GPS定位.精度達到厘米級，采樣間隔小，能夠清晰地反映出根石的真實狀況，基本不受環(huán)境條件的限制。而人工探測采用

16、皮尺丈量.精度較低、受環(huán)境條件的制約等，二者可比性較差，從剖面對比圖中可以看出，它們在曲線形態(tài)上有一定的相似性。采用在不影響穿透能力的情況下，盡量提高發(fā)射頻率；實測河水、淤泥的聲波速度等方法，從而減小探測誤差、提高數(shù)據(jù)的準確度。3結(jié)束語水下根石探測技術(shù)采用淺地層剖面儀，其渾水穿透能力和淤泥穿透能力強，具有探測數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)同步存儲功能，探測采用針對黃河特殊情況研發(fā)的小尺度水域精細化探測技術(shù)，可以較好地適應(yīng)各類黃河防洪.工程的探測環(huán)境，滿足各類黃河防洪工程的探測技術(shù)要求，改變了長期依靠人工錐探的落后方法。經(jīng)過2008年和2009年汛前在黃河上根石探測的生產(chǎn)應(yīng)用，得到了應(yīng)用單位的好評，其探測成果應(yīng)

17、用于所屬局的年度黃河防汛搶險預(yù)案制訂工作，產(chǎn)生了良好的防洪效益和生態(tài)效益。并成功應(yīng)用于某港口工程覆蓋層厚度探測及某水庫探測區(qū)水下基地覆蓋層厚度及基巖強風化界面，故也可以用于水下地質(zhì)勘察、水下隱蔽物探測等多種水下作業(yè)，具有廣泛地推廣應(yīng)用前景。參考文獻1陳國祥，賈學天，陳哲.工程物探方法在淺海域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用.江蘇地質(zhì),2004,(3L1451482王潤田.海底聲學探測與底質(zhì)識別技術(shù)的新進展.聲學技術(shù),2002,(1)：96983吳自銀，鄭玉龍等.海底淺表層信息聲探測技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展.地球科學進展,2005,(11):1210-12174劉保華，丁繼勝等.海洋地球物理探測技術(shù)及其在近海工程中的應(yīng)用.海洋科學進展，2005,(3)：374384收稿日期:2009-08-19(上接第390